CN110521280B

CN110521280B - 用于流体的欧姆加热的系统和方法

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Publication number: CN110521280B
Application number: CN201880020866.5A
Authority: CN
Inventors: 法比安·迪奇; 阿列克谢·格罗莫夫
Original assignee: Yin Si Tower Heating Co ltd
Current assignee: Yin Si Tower Heating Co ltd
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: WO2018184914A1; JP7189928B2; EP3607803A1; AU2018247749B2; PL3607803T3; AU2018247749A1; JP2020516046A; CN110521280A; US20200205237A1; EP3607803B1; US11758621B2

Abstract

本发明涉及一种用于流体的欧姆加热的系统，该系统包括用于接收流体的至少一个腔室(1)；至少两个单元(6a、6b)，每个单元都包括至少一个电极(4a、4b)，其中，至少一个电极中的每一个与至少一个用于电流隔离的装置(5a、5b、5c)相关联，其中，两个单元(6a、6b)中的每一个的电极(4a、4b)被彼此隔开的一定距离地设置在腔室(1)中，并且用于电流隔离的装置(5a、5b、5c)被设置在腔室(1)的外部；以及至少一个变频器(10)，其电连接至至少两个电极‑单元(6a、6b)以操作至少两个电极‑单元(6a、6b)。

Description

用于流体的欧姆加热的系统和方法

本发明涉及用于对流体进行欧姆加热的系统和使用该系统对流体进行欧姆加热的方法。

电加热的方法是众所周知的。电加热系统和方法可以细分为电阻加热、电弧加热、感应加热、电介质加热、红外加热、外部加热、激光加热及其组合。

在欧姆加热的情况下，借助于产生通过流体的电流(电子流)的两个电极将电势施加到流体。流过流体的电子与流体的原子核碰撞并释放出它们的动能。这增加了原子核的动能(温度)，从而提高了流体的温度。

流体系统的欧姆加热(或焦耳加热)是一种成熟的方法。例如，US 3,053,964描述了一种流体加热器，其中电极被浸入要加热的导电流体中，并且电路中的流体本身的电阻用于产生热量。以通过一对电接触点实现的逐渐且不连续的方式供应电能，其中，这些接触点中的一个在加热器中低于正常水位相当大的距离处固定在水中并且与一个电极电连接。另一接触点可在水面下方的与第一接触点接触的位置和在流体表面上方保持在加热器外壳中的空气袋或其他非导电气体的袋中的第二位置之间移动。

在当今的欧姆加热应用中，主要出现以下挑战性问题。首先，为了提供足够的能量用于流体的欧姆加热而没有大的转换损耗，通常将市电电压直接施加到电极上。然而，如果处理过的流体与接地物体(连接到地)接触，则会产生漏电流。这会触发设备的漏电断路器或剩余电流装置，或者在它们不存在时它会给人致命的电击。其次，为了实现具有足够加热性能的小而紧凑的欧姆加热设备，需要高功率密度设置。为了实现这样的设计，流体需要经受高能量，所述高能量腐蚀电极并改变流体，使得在使用市电电压时味道退化或形成危险的副产物。第三，控制所施加的加热功率以达到所需的流体出口温度。最后，欧姆加热过程最重要的参数是流体的电导率。然而，这种物理性质取决于流体温度和它的具体组成。这使得即使对于相同类型的流体也产生电导率的大的变化。例如，自来水的电导率仅取决于地理位置就相差十倍。为了构建实用的欧姆加热设备，它必须能够处理这种变化。

当今的欧姆加热应用主要在大规模的食品加工业中发现。在这种工业环境中，使用具有低功率密度的大型机器或者没有人员与处理的流体接触。另外，加工的食品通常是预先已知的，并且机器是为特定应用而构建的。因此，上述问题与工业应用无关。

但是，如果在较小的非工业应用中使用欧姆加热，则必须考虑这些问题。截至今天，问题被如下解决：

漏电流

提出了各种方法以防止或限制流出设备的漏电流。例如，US2011/0236004A1描述了被放置在设备的入口和出口处的接地电极。这些电极连接至电气接地，以确保流入和流出设备的流体处于地电位以防止电击。这种方法的缺点是这些接地电极需要被放置得足够远离加热电极，以确保有限的接地电流。为确保符合电气法规，使得设备较大。在EP1417444B1中，代替电极，提出利用接地带将优选的金属出口管和入口管连接至电气地，其具有相同的缺点。

在US 6,522,834 B1中描述了其他方法，其中，流体与加热电极机械地分隔开，以便破坏流出流体与加热电极的连接，以防止电击和漏电流。例如，在出口处的两个附加容器由交替地打开和关闭以输送电中性水的两个阀门隔开。另一提出的概念包括快速地打开和关闭以输送电中性水的内置阀门。这些方法的缺点是它会引起不连续的流动并需要附加的机械部件。

流体的改变和腐蚀

为了减少流体的改变和电极的腐蚀，US 6,522,834 B1提出将流体和电极中的电流密度保持得适当低。这是通过将加热电极的导电区域保持得足够大来实现的。在同一专利中还描述了第二种方法，其中，利用被放置在电压源与电极之间的变压器将电极两端的施加电压提升两倍。这由于施加的电流与加热功率和施加的电压的比率成比例而致使电流密度降低相同的倍数。使导电电极区域尽可能大的要求导致相对大的设备。如所描述的使用变压器需要大而昂贵的变压器。

加热功率控制和电导率管理

加热功率控制和应对流体电导率的变化通常以相同的方式处理。US2011/236004A1和WO2009/100486A1提出了具有多个电极的类似概念，所述多个电极可以被分别激活以控制有源导电区域。通过增大有源导电区域，可以补偿降低的电导率以保持相同的加热功率或者在电导率保持相同时增加加热功率。反之亦然，通过减小有源导电区域，可以补偿增加的电导率或者降低所施加的加热功率。

US 6,522,834 B1另外提出了在市电电源与电极之间的可变电压源，以具有通过以下操作来控制加热功率或抵消电导率变化的附加装置，增加电压以补偿电导率的降低或增加加热功率，反之亦然。使用多个电极是一种有成本效益的方法，其中，市电电压可以直接用作电源。然而，这种设置需要大的空间。使用附加的电压转换器减少了所需电极的数量，但增加了昂贵的电压转换器。

总之，为了解决上述挑战，需要以足够大以保持低电流密度并应对发生的电导率变化的方式构造基于欧姆加热的瞬时流体加热器；或使用附加的大型且昂贵的部件。

因此，已知用于对流体进行电加热的方法和设备的缺点是大量的设计和高的成本以及与其相关的加热过程的能量强度。

因此，本发明的目的是提供基于利用高功率密度的欧姆加热原理的从而更紧凑且更有成本效益的加热系统，例如瞬时热水器。

该目的通过根据权利要求1的用于对流体进行欧姆加热的系统和使用根据权利要求20的所述系统对流体进行欧姆加热的方法来解决。

因此，提供了一种用于对流体进行欧姆加热的系统，其中，该系统包括

-用于接收流体的至少一个腔室；

-至少两个单元，每个单元包括至少一个电极，其中，至少一个电极中的每一个与至少一个用于电流隔离的装置相关联，

-其中，两个单元中的每一个的电极被彼此隔开一定距离地设置在腔室中，并且用于电流隔离的装置被设置在腔室的外部；以及

-至少一个变频器，其电连接至至少两个电极-单元以操作至少两个电极-单元。

本系统所基于的概念使用电抗性电气部件(电容器、线圈和变压器)的特性作为电流隔离的手段。逆变器用于将市电电压的频率从50-60Hz转换为200kHz以上最高可达3MHz的高频。电抗性部件用于以电流方式隔离流体并且用于调节所产生的加热性能。这是通过调整逆变器频率来实现的。除了加热性能的调节之外，还可以考虑改变电导率。这具有以下优点：不需要电压变换(如US 6,522,834 B1中所建议的)并且可以极大减少电极的数量以便覆盖更大的工作范围。此外，由于通过电抗性部件的电流隔离充分减少了漏电流，因此机械地隔离流体或使用接地电极的要求消失。此外，由于腐蚀/电解不仅取决于电流密度，而且取决于所施加的电压/电流的频率，因此可以增加流体和电极中的电流密度。因此，使用电抗性部件的优点是具有高能量密度的有成本效益的紧凑结构。

根据本发明的系统还可以被描述为使用变频器的用于流体例如水或牛奶或任何其他合适的流体的电加热系统，其中，市电电压被变频器斩波成多个高频部分以便增加电压频率并通过合适的电流隔离装置，例如电容器使电极去耦或去连接。另外，具有不同电极距离的多个这种系统可以一个接一个地级联或布置，以便覆盖通过加热腔室的流体的较大电导率范围。

每个或多个电极分别与一个电流隔离装置相关联(例如连接)，以形成电极-电流隔离装置-单元(例如电极-电容器单元)。电极-电流隔离装置-单元又与操作至少两个电极-电流隔离装置-单元的变频器(或频率斩波器)电连接。

在本发明的上下文中，变频器被定义为可以改变输入电压的大小和/或频率并且可以控制输出电力的元件。因此，变频器改变输出电压频率和大小以改变电力输出。

变频器也被称为频率转换器。它是一种电力转换设备，通过内部功率半导体通/断行为将市电电力(例如50Hz或60Hz)转换为另一频率电力。变频器可以包括整流器(AC到DC)、滤波器、逆变器(DC到AC)、检测单元和微处理单元等。其中，控制电路电力电路。整流器电路将AC电力转换为DC电力，DC中间电路对整流器电路输出进行平滑，然后逆变器电路再将DC电流逆变为AC电流。

由于电流隔离和防止或减少要加热的流体的电解，根据本发明的系统允许构建高功率密度设备。

市电电压始终与地电位链接。这使得当与地电位链接的另一物体与市电电压接触时电流流动，例如在人站在地面上的情况下。为了使市电电压与地电位断开连接并且为了防止在接触的情况下的电流流动，通常使用电流隔离。如今，通常使用的用于电流隔离的装置在净频率下操作时是昂贵、庞大且沉重的，这就是它不用于当前的欧姆加热系统的原因。

根据本发明的系统利用以高得多的频率操作的变频器，该变频器允许以有成本效益且紧凑的方式采用电流隔离装置。所产生的系统与当前的加热系统相比更紧凑、更有成本效益的并且是电流隔离的。

如上所描述，当具有恒定极化的电压被施加到与流体接触的电极时，电解致使流体中分子的分离。如果流过流体的能量流增加，则该效应产生得更快。为了抵消该过程，可以对电压的极化进行逆转。在根据国家的频率为50至60Hz的市电电压的情况下，流体中的能量密度需要足够小以避免电解。然而，具有这种低频率的电压需要使用多个电极或大电极表面，以便将所需的能量传递到流体中。相反，本系统避免使用多个电极或大电极表面来传递所需的能量，因为净频率增加或被斩波到更高的频率。

加热器(特别是加热腔室)的尺寸根据要加热的流体和最大性能进行调整。每种流体具有不同的电导率值σ，其允许根据等式1确定加热腔室中的流体的平均电阻R。电阻R取决于平均电极距离

和电极表面A：

所产生的加热性能P_Heat可以借助流过流体的电流的有效值I和电阻R或施加的电压U的有效值来确定：

P_Heat＝I²·R＝U·I (2)

具有质量流量

的流体的温度变化和加热腔室的入口与出口之间的比热容c_v可以基于所产生的加热性能来计算：

输出温度T_out可以通过测量输入电流I的电流传感器和测量输入温度T_in和输出温度T_out的加热腔室之前和之后的温度传感器调节：

为了保护用户或其他设备免受漏电流的影响，漏电流通过电抗耦合元件(或用于电流隔离的装置)进行限制。

提供了另一实施方式，其中，每个单元的至少一个电极与至少一个用于电流隔离的装置(例如电容器)相关联，或者其中，每个单元的电极与一个用于电流隔离的公共装置(例如变压器)相关联。

因此，在本系统的实施方式中，至少一个用于电流隔离或电流分隔的装置是至少一个电容器或至少一个隔离变压器。如果电容器被使用，它可以是安全电容器(也被指定为X-或Y-级电容器)。如果变压器用于电流隔离和功率控制，则优选地，其特征在于用于最佳的体积使用的1：1的电压比，这与如US 6,522,834 B1中所描述的具有1：2的比率的倍压器不同。

电容器作为用于电流隔离的装置

在下面说明使用具有电容C的电容器和作为电源电压的整流市电电压的系统的功能。

可以使用等式(5)计算热性能P_Heat，其中，R是流体电阻，U_net是市电电压，f_p是脉冲频率，X_c是容抗，而C_eq＝C/2是串联连接的两个电容器的等效电容。

P_Heat＝I²·R，

可以流动的最大漏电流可以使用等式(6)确定，其中，f_net是净频率并且C是耦合电容器的电容：

根据等式(6)，可以通过借助于使用容抗X_c控制电流来改变脉冲频率，从而改变热性能P_Heat。这实现了对电导率值σ的改变的响应或改变热性能本身。使用特定的安全电容器(X-或Y-级电容器)是有利的。

变压器作为用于电流隔离的装置

如下所示，当使用变压器和整流市电电压作为电源电压时，系统的功能是模拟的。利用两个电感器L1和L2以及理想的变压器T的等效电路(参见图2H)可以完整地描述所使用的实际变压器的行为。线圈的电感由变压器的构造和几何形状确定。具有1：1的传递比，可以使用等式(7)确定热性能，其中，R是流体电阻：

ω＝2·π·f_p (7)

变压器的漏电流由构造相关的通常小到足以被忽略的寄生电容产生。根据等式(7)，热性能可以通过控制脉冲频率f_p来控制或者其可以对流体电导率的变化进行响应。

当使用电抗性部件作为耦合元件或作为电流隔离的装置时，要传递的热性能是有限的。为了改善这种行为，可以使用另外的电抗性部件(或附加元件)来扩展耦合以形成谐振耦合。

这些附加元件可以并联或串联地布置，并且可以是以下中的一个或更多个：

-如果电容器用于电流隔离，则优选至少一个电感元件(例如线圈或变压器)与其相关联；

-如果变压器用于电流隔离，则优选通过使用串联或并联连接的附加电容器和/或感应线圈来优化传递行为；

因此，在该系统的实施方式中，可以组合多个电抗性部件以获得谐振行为并改善电抗性部件的传递性质。这具有以下优点：变频器仅将流体识别为负载电阻并且没有大的电抗性部件，这降低了传递效率。为了实现这一点，必须接近谐振频率来触发谐振耦合。

使用具有电感器的电容器的谐振耦合

电容器耦合可以借助具有电感L的线圈的串联连接扩展成谐振耦合。在谐振耦合的情况下转换的热性能可以使用等式(8)来确定，其中，L_eq＝2L是串联连接的两个线圈的等效电感值，C_eq＝C/2是串联连接的两个线圈的等效电容：

P_Heat＝I²·R，

ω＝2·π·f_p (8)

如果在谐振频率f_R(参见等式9)处精确地选择脉冲频率，则电抗性部件的电抗X_L＝ωL_eq和

相互抵消，并且可以借助等式(10)确定热性能：

最大漏电流可以借助等式(11)确定：

ω_net＝2·π·f_net (11)

根据等式(10)，由于产生谐振耦合，热性能不再受电抗性部件的限制。此外，热性能还可以通过频率f_p来控制，以便对电导率变化作出反应或控制热性能。

使用变压器和电容器的谐振耦合

在借助变压器进行耦合的情况下，热性能也受到限制；参见式(7)。为了提高传递比，可以将具有电容C_R的附加电容器串联地放置在变频器与变压器之间以形成谐振耦合。根据等式(12)，在变压器的传递比为1：1的情况下，可以确定热性能：

ω＝2·π·f_p(14)

如果根据等式(13)以谐振频率选择脉冲频率

电抗性部件相互抵消，热性能被简化为

等式(14)表明，由于产生谐振耦合，热性能不再受到电抗性部件的限制。另外，热性能可以由频率f_p控制，以响应流体电导率的变化。

在又一实施方式中，可以例如借助开关，例如机电继电器添加多个电极对或分段电极对，以便更进一步地扩展其中系统可靠地操作的电导率范围。在多个电极对的情况下，单个电极对通过绝缘彼此电隔离。在分段电极对的情况下，仅一个电极被分段而相对电极不被分段并且仍然是连续的或完整的。

例如，通过接通第二等效电极对，可以将流体R_eff的电阻分成两半(参见等式15)。因此，在所述范围变得太大的情况下，可以将流体的电阻调节回工作范围。电极表面Ai和距离d_i的不同实现也允许进一步隔离流体的电阻。

在另一实施方式中，还可以减少脉冲时间以便调节和控制热性能。这可以通过改变触发脉冲的激活时间T_On来完成。从而脉冲频率的脉冲的总时间量

保持不变。

整个脉冲由四个阶梯组成。首先，在一个方向上施加电压达时间T_On。然后是等待时段

直到再次在相反方向上施加电压达时间T_On。随后，还有等待时段，直到完成时间T_P过去，再施加新脉冲。

在本系统的又一实施方式中，实现冷却单元以使加热系统的效率最大化。用于电子部件的冷却单元使用系统的特性并优化效率。

电子部件的冷却通常是必要的，因为在高性能和高频率操作下会发生损耗，该损耗会产生热量，这可能致使元件过热，从而造成系统故障。为了对部件进行冷却，所述部件被安装在提供更大的表面以发散热量的冷却体上。热量通常借助对流或强制对流通过空气发散。在强制对流的情况下，空气借助风扇从冷却体发散，从而增加了热量发散。

还可以使用冷却液更进一步增加热量发散。在本系统的实施方式中，冷却单元或冷却体被放置在加热腔室的前面，使得要加热的冷流体首先流过冷却单元，从而在进入加热腔室之前进行预加热。该原理使得能够有效地冷却电子器件并同时预加热流体。这提高了整个系统的效率，因为热量(功率损耗)不被发射到环境而被发射到要加热的流体。

在根据本发明的系统的实施方式中，至少一个腔室(即加热腔室)是在每种情况下具有用于流体的至少一个入口和至少一个出口的容器、器皿或管道。流体连续流过腔室是优选的。本系统还可以用于停滞或不流动的流体。然而，这可能致使流体过热。

如上所描述，任何流体可以通过根据本发明的系统加热，只要该流体具有允许电流流过它的一定电导率即可。要加热流体的电导率是本系统应用的要求。

在该系统的另一实施方式中，在腔室中提供至少一个阳极和至少一个阴极，其中，阳极和阴极在时间上交变。电极对的数量可以变化并且取决于要加热的流体。电极材料可以是任何合适的导电材料，例如铝。

在另一优选的实施方式中，至少一个变频器包括至少一个桥接电路，该桥接电路可以被设计成全桥接或半桥接。

特别优选地，如果至少一个频率转换器包括至少一个桥接电路，该桥接电路包括至少两个开关和至少一个中心抽头的至少一个切换装置和至少一个中心抽头，其中，至少一个中心抽头耦接至至少一个电极-电流隔离装置-单元。

因此，在本欧姆加热系统的一个特定变型中，每个电极-电流隔离装置-单元连接或耦接至被定位或被布置在两个电子开关之间的一个中心抽头。

至少一个切换装置可以包括至少四个开关，特别是在全桥接的情况下。在半桥接的情况下，提供两个开关。

电子开关可以是FET开关或IGBT开关。在四个电开关的情况下，在开关中的两个开关之间布置一个中心抽头。

在本欧姆加热系统的又一实施方式中，每个电子开关由控制单元耦接和控制，其中，至少一个控制单元优选地是微控制器。控制单元能够控制电子开关，使得电压的极性通过中心抽头和电极-电流隔离装置-单元而变化。这会产生更高频率的电压。因此，可以通过控制控制单元和随后的电开关来改变频率。

在本欧姆加热系统的另一实施方式中，为至少一个变频器提供至少一个电压源。

优选地，至少一个电压源包括整流器，特别是二极管整流器。至少一个电压源提供110至240V之间的整流电压U_net和50至60Hz之间的频率f_net。

根据本发明的系统用于对流体进行欧姆加热的方法，其步骤如下：、

-通过至少一个电压供应器向至少一个变频器提供电压；以及

-控制至少一个变频器，使得电压的极性在至少两个电极-电流隔离装置-单元上交变。

特别地，通过至少一个电压供应器向至少一个桥接电路提供电压；切换装置的电子开关由至少一个控制单元控制，使得通过两个中心抽头以及因此电极-电流隔离装置-单元的电压的极性交变。在半桥接的情况下，中心抽头在至少两个不同的电位之间切换。

因此，提供了一种方法，其中，通过使电压的极性中心抽头和电极-电流隔离装置-单元上改变或交变来加热流体，使得产生具有更高频率的电压。

在实施方式中，施加到包括至少一个桥接电路的变频器的电压是110至240V之间的整流电压U_net和50至60Hz之间的频率f_net。

优选地，施加到的电极-电流隔离装置-单元的电压的极性被控制成使得获得高达3MHz的脉冲频率。在高达3MHz的频率范围内的这种再极化和极化变化防止了流体的电解。在优选的实施方式中，获得约300kHz的脉冲频率。

然而，施加的频率取决于要加热的流体和加热系统的性能，并且针对每种流体和构造来单独确定。优选地，连续调节脉冲频率以控制加热性能。

现在借助以下示例并参照以下附图更详细地解释本发明：

图1是电阻加热器(欧姆加热器)的基本功能的示意图；

图2A是根据本发明的系统的基本功能的一般示意图；

图2B是根据本发明的系统的第一实施方式的示意图；

图2C是根据本发明的系统的第二实施方式的示意图；

图2D是根据本发明的系统的第三实施方式的示意图；

图2E是根据本发明的系统的第四实施方式的示意图；

图2F是根据本发明的系统的第五实施方式的示意图；

图2G是根据本发明的系统的第六实施方式的示意图；

图2H是根据本发明的系统的第七实施方式的示意图；

图2I是根据本发明的系统的第八实施方式的示意图；

图2J是根据本发明的系统的第九实施方式的示意图；

图2K是根据本发明的具有冷却单元的系统的实施方式的示意图；

图3A是包括图2B的系统的全桥接的示意图；

图3B是包括图2C的系统的全桥接的示意图；

图4是包括图2B的系统的半桥接的示意图；

图5是电压源的示意图；

图6是控制单元的示意图；

图7是根据本发明的系统产生和施加的脉冲频率的示例；

图8是根据本发明的系统在牛奶加热装置中的使用；

图9是根据本发明的系统在增压器应用中的使用；

图10是根据本发明的系统在连续流加热器装置中的使用。

具体实施方式

应当理解，在如实施方式所示的所有应用中，可以使用通用的电压源。

图1示出了电阻加热器(欧姆加热器)的基本原理。要加热的流体以连续流被引导通过加热腔室1。两个导电板(被设置在腔室1中的电极4a、4b)与流体接触；随后向电极4a、4b提供电压。这使流过流体(例如水)的当前流被加热。流体表示产生功率损耗或功率耗散的电阻。这种功率损耗在流体中转化为热量。因此，流体用作加热元件，并且热量直接在流体中产生。

图2A示出了本系统的基本原理。通过变频器10将市电电压斩波成多个高频部分，以便增加电压频率。电极4a、4b通过电流隔离装置5被去耦合或去连接。流体流过腔室1并随后在施加市电电压时被加热。另外，具有不同电极距离的多个这种系统可以一个接一个地级联或布置，以便覆盖通过加热腔室的流体的较大电导率范围。

在图2B的实施方式中，电流隔离装置5被设置为电容器5a、5b。电极4a、4b和电容器5a、5b分别形成电极-电容器单元6a、6b。

电流隔离装置5也可以被设置为隔离变压器5c(见图2C)。

电容器具有优于变压器的优点，因为它们更小，重量更轻，更便宜并且产生更少的功率损耗。然而，缺点是与变压器相比，电容器具有更大的漏电流(即，在接地故障的情况下流动的电流)。

根据如图2D所示的实施方式，附加元件11被布置在电极-电容器路径中。附加元件11可以是用于补偿容抗和用于增加流体中的转换功率的线圈。这使无功功率最小化。

根据如图2E所示的实施方式，附加元件11也可以被并联和串联布置。

图2F的实施方式示出了一种系统，其中，电容器连接到线圈以进行谐振耦合，而图2G的实施方式示出了一种系统，其中，变压器连接到电感器-电容器网络以进行谐振耦合。以这种方式，可以优化传递行为。

图2H的实施方式示出了表示利用具有电感L1和L2的两个感应线圈以及理想变压器T的实际变压器的行为的等效电路图。线圈的电感由实际变压器的构造和几何形状确定。夹具K1连接至变频器，夹具K2连接至加热腔室的电极。

根据图2I的实施方式，可以并行操作多个加热室。

在图2J的实施方式中，借助开关，例如机电继电器将多个电极对添加到系统中，以便更进一步地扩展其中系统可靠地操作的电导率范围。

图2K示出了具有冷却单元的系统的示例。在这里，电气组件的废热用于预加热要加热的流体。部件热连接至冷却体12，冷却体12随后由进入的流体冷却。然后，经预加热的流体流入加热室1，在加热室1中，流体被加热到所需的最终温度。

在图3A和图3B中，示出了作为变频器的全桥接布置。在这里，作为电流隔离装置(图3A)的电容器5a、5b或作为电流隔离装置(图3B)的隔离变压器5c耦接至各自的电极4a、4b，形成电极-电容器单元6a、6b或变压器-电极-对单元。

电极电容器单元6a、6b(或变压器-电极-对单元)中的每一个又由包括四个开关2的切换装置连接和控制，其中，在两个开关之间具有一个中心抽头7。开关2由控制单元3控制(参见图6)，控制单元3分别通过S1、S2、S3、S4连接至每个开关。

电路的市电电压由电压源8提供(参见图5)。通过使用二极管整流器形式的整流器9对市电电压进行整流。

在图4中，示出了作为变频器的半桥接布置。与全桥接布置相比，这种半桥接布置仅包括两个开关。中心抽头7被放置在较低电位或较高电位上，以交替进行电压和频率斩波。

示例1

根据本发明的变频器由具有四个电子开关(S1、S2、S3、S4)例如FET、IGBT等的桥接电路构成(参见图3)。桥接电路可以被实现为全桥接或半桥接。

两个开关之间有中心抽头，即开关S1与S2之间的一个中心抽头和开关S3与S4之间的第二中心抽头。

将净频率为50至60Hz的110至240V的市电电压施加到电路。通过使用二极管整流器形式的整流器对市电电压进行整流。

电子开关以电压的极性在中心抽头上交变的形式由微控制器控制。这产生与市电电压幅度相同但频率增加的电压。

通过控制微控制器可以改变频率。施加大于200kHz，优选300kHz(图6、图7)的频率fp用于欧姆加热以进行再极化以防止电解。然而，施加的频率取决于流体和加热器的性能，并且必须针对每个新装置来确定。

电极和电容器(或变压器)连接至桥接电路的中心抽头。电极可以由任何合适的材料组成，例如铝。

示例2：欧姆加热装置在咖啡机中的应用

在现有技术的咖啡机中，使用各种加热机构来加热所需的流体或产生蒸汽。这些机构包括燃气锅炉、电锅炉、蒸汽喷射或在两种不同温度下混合流体。

利用基于根据本发明的欧姆加热技术的新型连续流加热设备，现在可以替代加热各种流体，例如水、牛奶、牛奶泡沫或糖浆。为了利用单个系统产生添加牛奶的四种变化；冷/热牛奶和冷/热牛奶泡沫，可以在能够在冷态下发泡牛奶或只是输送冷牛奶的牛奶加工单元之后使用欧姆加热设备，如图8所示。

欧姆加热设备不一定必须被放置在咖啡机中并且可以被放置在牛奶加工单元之后的某处。因此，通过这种设置，可以通过打开或关闭不同组合的两个模块来生成所有四种乳制品。这提供了以下优点：所需的乳制品可以在不需要绕过加热设备的简单和流线型设置中输送，或使用现有技术解决方案所需的蒸汽注射机构。

提供咖啡机所需的各种温度的水，以提供不同类型的产品，例如咖啡、茶水、蒸汽或粉末产品；如今，使用锅炉、流加热器、热水和冷水的混合物或所提及的制备方法的组合。

利用根据本发明的欧姆加热设备，如图9和图10所示，通过在常规锅炉之后将该欧姆加热设备用作增压级或独立的连续流加热器，可以简化水制备。

使用欧姆加热设备来加热水优于当前解决方案的优点是能够设定精确的出口温度、出口温度的即时变化、无备用功率消耗以及由于加热设备的尺寸急剧减小而引起更少的维护。

利用欧姆加热设备的上述设置也可以用于通过使水过热而水被释放到大气压时变成蒸汽来产生蒸汽。

Claims

1.一种用于流体的欧姆加热的系统，包括：

-用于接收所述流体的至少一个腔室(1)；

-至少两个单元(6a、6b)，所述至少两个单元(6a、6b)每个都包括至少一个电极(4a、4b)，其中，所述至少一个电极中的每一个与至少一个用于电流隔离的装置(5a、5b、5c)相关联，

-其中，所述两个单元(6a、6b)中的每一个单元的电极(4a、4b)被彼此隔开一定距离地设置在所述腔室(1)中，并且所述用于电流隔离的装置(5a、5b、5c)被设置在所述腔室(1)的外部；以及

-至少一个变频器(10)，其电连接至至少两个电极-单元(6a、6b)以操作所述至少两个电极-单元(6a、6b)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个用于电流隔离的装置(5a、5b、5c)是至少一个电容器(5a、5b)或至少一个隔离变压器(5c)。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少一个电容器(5a、5b)是安全电容器，也被指定为X或Y类电容器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在电极-电流隔离装置-单元中的一个或每一个中提供附加元件。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，以串联或并联连接来提供一个或更多个附加电容器作为附加元件，以形成谐振网络。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，提供串联或并联连接以形成谐振网络的一个或更多个线圈作为附加元件。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，提供用于优化切换行为、用于测量接收的功率或所述流体的温度的传感器作为附加元件。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，提供多个电极对。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，实现冷却单元以使加热系统的效率最大化。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个变频器(10)包括至少一个桥接电路。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个变频器(10)包括至少一个桥接电路，所述至少一个桥接电路包括至少两个开关(2)和至少一个中心抽头(7)的至少一个切换装置，其中，所述至少中心抽头(7)被耦接至至少一个电极-电流隔离装置-单元(6a，6b)。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在全桥接的情况下，所述至少一个切换装置包括至少四个开关(2)。

13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述切换装置的每个电子开关(2)耦接至至少一个控制单元(3)。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述至少一个控制单元(3)是微控制器。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于包括用于所述至少一个变频器(10)的至少一个电压源(8)。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述至少一个电压源(8)包括整流器(9)。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述至少一个电压源(8)包括二极管整流器。

18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个腔室(1)是在每种情况下具有用于所述流体的至少一个入口和至少一个出口的容器、导管或管道。

19.根据权利要求1所述的用于至少一种流体的欧姆加热的系统的用途。

20.一种用于根据权利要求1所述的系统的电子部件的冷却单元，其特征在于，要加热的流体被用作冷却流体。

21.一种用于在根据权利要求1所述的系统中对流体进行欧姆加热的方法，其特征在于：

-通过至少一个电源向所述至少一个变频器(10)提供电压；以及

-控制所述至少一个变频器，使得所述电压的极性在至少两个电极-电流隔离装置-单元(6a、6b)上交变。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，向所述至少一个变频器(10)施加110至240V之间的整流电压U_net和50至60Hz之间的频率f_net。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述电压的极性由至少一个控制单元(3)控制。

24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述电压的极性被控制成使得获得高达3MHz的脉冲频率。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述脉冲频率被连续调节以控制加热性能。